摘要：為了能精確地自動(dòng)測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)和透明薄膜厚***，采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步***電機(jī)帶動(dòng)邁克爾干涉儀的微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使光屏上產(chǎn)生穩(wěn)定變化的干涉條紋，用光電二極管檢測(cè)條紋信號(hào)光強(qiáng)變化，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸入到單片機(jī)***行處理，測(cè)量結(jié)果自動(dòng)顯示在液晶屏上。在一般實(shí)驗(yàn)環(huán)境下***行了多次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值***行比較得出，改造后的儀器測(cè)量微小長(zhǎng)***速***快，誤差小，精確***高。

0 引言

薄膜厚***是薄膜性能參數(shù)的重要指標(biāo)，如何準(zhǔn)確、快速、方便地測(cè)量膜厚在實(shí)驗(yàn)中具有十分重要的意義。邁克爾遜干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重要的一部分，實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)調(diào)節(jié)微調(diào)手輪，人眼觀察干涉條紋，帶來(lái)很多人為誤差，影響測(cè)量結(jié)果。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)者視力，提高測(cè)量精***，擴(kuò)大測(cè)量范圍，同時(shí)促***光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，在研究單片機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)邁克爾遜干涉儀***行了探索和改造。

改造后的邁克爾遜干涉儀在不改變物理學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，增加了電子技術(shù)中的大量元素，使物理學(xué)和電子技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光波長(zhǎng)和薄膜厚***的自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量簡(jiǎn)便、精確***高，有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)工作原理

基于單片機(jī)改造的邁克爾干涉儀***行微小長(zhǎng)***的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量對(duì)象為激光波長(zhǎng)和薄膜厚***，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1.1 激光波長(zhǎng)測(cè)量

使用He-Ne激光作光源，利用光的分振幅干涉法。用步***電機(jī)帶動(dòng)微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)代替手動(dòng)調(diào)節(jié)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角***對(duì)應(yīng)光程差為2△d；光屏上得到的“吞”、“吐”條紋，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，輸入到單片機(jī)***行計(jì)數(shù)(條紋數(shù)N)，代替了人眼觀察條紋計(jì)數(shù)；測(cè)量步驟、結(jié)果(波長(zhǎng)λ=2△d/N)及相對(duì)誤差通過(guò)液晶屏顯示，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量。

1.2 薄膜厚***測(cè)量

使用白光作光源，利用等厚干涉法。光路原理圖如圖2所示，當(dāng)白光光程差為零時(shí)發(fā)生干涉現(xiàn)象，將光屏上的彩色條紋通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，同時(shí)記錄M1的初位置d1；放入薄膜后，光程差增大，彩色條紋消失；電機(jī)帶動(dòng)M1移動(dòng)到彩紋再現(xiàn)，記錄M1的末位置d2。用阿貝折射儀測(cè)出薄膜折射率n，輸入到單片機(jī)，根據(jù)公式***行處理，即可得到薄膜厚***。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是在原有物理光學(xué)儀器——邁克爾干涉儀的基礎(chǔ)上增加了電子技術(shù)的設(shè)計(jì)模塊，如圖3所示。模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示單元。

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成，如圖4所示，氦氖激光干涉條紋檢測(cè)和白光干涉彩紋檢測(cè)，它的作用是把變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)識(shí)別的脈沖信號(hào)。

2.1.1 激光干涉條紋檢測(cè)

該部分由兩個(gè)光敏二極管，偏置電阻R1，R2，分壓電阻R3，R4和一個(gè)運(yùn)算放大器A1組成。當(dāng)微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光屏上會(huì)出現(xiàn)圓環(huán)型“吞”、“吐”條紋，一個(gè)光敏二極管對(duì)準(zhǔn)圓環(huán)條紋正中心，另一個(gè)用于檢測(cè)背景光，這樣設(shè)計(jì)可以大大減小外界光強(qiáng)的影響，在一般光強(qiáng)下均可測(cè)量。光敏二極管對(duì)變化的光信號(hào)敏感，加上偏置電阻R1和R2后會(huì)輸出合適的電信號(hào)。分壓電阻R3，R4給運(yùn)算放大器的反向輸入端提供合適的門(mén)限電壓，電信號(hào)從同向輸入端輸入，當(dāng)高于反向輸入端的門(mén)限電壓Um1時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)到電源電壓的正極(+5V)，當(dāng)輸入電壓低于反向端的門(mén)限電壓Um1時(shí)，輸出電壓翻轉(zhuǎn)到電源電壓的地(0V)。由此，“吞”、“吐”條紋轉(zhuǎn)換為了脈沖信號(hào)。

2.1.2 白光干涉彩紋檢測(cè)

該部分由光敏二極管1，偏置電阻R1，放大器A2和門(mén)限比較器A3組成。它的原理與激光類(lèi)似，當(dāng)彩紋出現(xiàn)時(shí)，光強(qiáng)***變化會(huì)使光敏二極管1產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器A2被放大(放大器的放大倍數(shù)由電阻R6和R7決定)，再經(jīng)過(guò)門(mén)限比較器A3(門(mén)限比較器的門(mén)限值由電阻R8和R9確定)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗣}沖信號(hào)。

2.2 步***電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)